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案例頻道作者簡(jiǎn)介
王曄（1976-），寧夏銀川人，工程師，本科，現就職于北京和利時(shí)機器控制技術(shù)有限公司，研究方向為工廠(chǎng)自動(dòng)化、智能裝備、自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)、運動(dòng)控制。
隨著(zhù)社會(huì )發(fā)展的需要，各制造企業(yè)對機器裝備自動(dòng)化、智能化水平的要求不斷提高，做為核心技術(shù)的運動(dòng)控制系統，其作用更為突出。運動(dòng)控制器在運動(dòng)控制系統中，又占有舉足輕重的地位。本文從基礎概念層面跟大家交流三個(gè)問(wèn)題：運動(dòng)控制的基本概念，運動(dòng)控制器類(lèi)型及適用場(chǎng)合，運動(dòng)控制器發(fā)展的未來(lái)趨勢。
1 運動(dòng)控制的基本概念
客戶(hù)看到的市場(chǎng)情況就是很多廠(chǎng)商都說(shuō)自己做運動(dòng)控制，做運動(dòng)控制器的廠(chǎng)商說(shuō)自己在做運動(dòng)控制，伺服廠(chǎng)商也說(shuō)自己做運控控制，做電機、編碼器、絲桿的廠(chǎng)商也宣傳自己專(zhuān)業(yè)是做運動(dòng)控制。實(shí)際上大家都沒(méi)錯，但這樣給市場(chǎng)的印象是比較零散的，而客戶(hù)期望的是有人能夠較為系統地將運動(dòng)控制全貌描述給自己。
運動(dòng)控制起源于早期的伺服控制，運動(dòng)控制技術(shù)主要是伴隨著(zhù)數控技術(shù)、機器人技術(shù)和工廠(chǎng)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，運動(dòng)控制就是對機械運動(dòng)部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制管理，使其按照預期的運動(dòng)軌跡和規定的運動(dòng)參數進(jìn)行運動(dòng)。
運動(dòng)控制是通過(guò)運動(dòng)控制系統來(lái)實(shí)現的。運動(dòng)控制系統是由多個(gè)環(huán)節組成的一套精密耦合的系統，缺少了任意一個(gè)環(huán)節，都不可能完成特定的動(dòng)作控制，而且每個(gè)環(huán)節中所涉及的專(zhuān)業(yè)知識又相對比較獨立。
運動(dòng)控制系統主要包含了執行機構及控制機構。執行機構主要指執行動(dòng)作的電機、液壓泵、氣缸等部件動(dòng)作，帶動(dòng)各類(lèi)機械機構用以輸出各類(lèi)動(dòng)作?？刂茩C構主要指伺服驅動(dòng)器及運動(dòng)控制器（或帶運動(dòng)控制功能的PLC等）、伺服驅動(dòng)器、伺服電機、以及用以形成閉環(huán)調節時(shí)所需的反饋部件，如編碼器、光柵尺、視覺(jué)系統等。
淺談運動(dòng)控制系統核心——運動(dòng)控制器本文主要探討的是運動(dòng)控制系統中的控制機構。
在此簡(jiǎn)單描述一下運動(dòng)控制系統的全貌，如果將一整套運動(dòng)控制系統比作一個(gè)人的話(huà)，那么運動(dòng)控制器就相當于一個(gè)人的大腦，伺服驅動(dòng)器就相當于人體的肌肉組織，伺服電機就是我們的手和腳，視覺(jué)系統、編碼器就相當于我們的眼睛和耳朵，用于連接各個(gè)部分的信號線(xiàn)或高速網(wǎng)絡(luò )就是我們人體的神經(jīng)系統。各個(gè)部分配合起來(lái)，協(xié)同完成對運動(dòng)的控制。
各個(gè)部分簡(jiǎn)介如下：
運動(dòng)控制器，主要用于生成動(dòng)作所需的軌跡以及多軸系統的協(xié)調運動(dòng)，如插補聯(lián)動(dòng)等。此外，高級一些的運動(dòng)控制器，還可以將檢測執行機構動(dòng)作的編碼器信號直接接入，兼具有對伺服的位置閉環(huán)甚至速度閉環(huán)調節的能力。運動(dòng)控制器輸出的信號基本都是小信號，如高頻的脈沖、±10V的模擬量等。
伺服驅動(dòng)器，主要是根據運動(dòng)控制器發(fā)出的各種指令（位置、速度、力矩），進(jìn)行強電轉換，驅動(dòng)對應的電機產(chǎn)生相對應的動(dòng)作。其最核心的部分是其電流環(huán)（力矩環(huán)）的控制。經(jīng)過(guò)工廠(chǎng)自動(dòng)化歷史發(fā)展的演變，伺服驅動(dòng)器的功能是越來(lái)越豐富，目前市場(chǎng)上流行的各種伺服驅動(dòng)器實(shí)際上已經(jīng)基本具備了位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的全套控制，而且有一些驅動(dòng)器甚至集成了部分PLC的功能及運動(dòng)控制軌跡規劃功能，在一些應用場(chǎng)合受到客戶(hù)的極大歡迎。但我個(gè)人理解，伺服驅動(dòng)器未來(lái)發(fā)展也許最終會(huì )退回到功率轉換的基本功能，也就是只完成電流環(huán)的控制。
電機，是整個(gè)運動(dòng)控制電控系統的最終執行機構。它分為很多種伺服電機，是一門(mén)專(zhuān)業(yè)性很強的學(xué)科，非常重要，這里不做過(guò)多敘述。
編碼器，是用來(lái)檢測各類(lèi)機構位置的反饋裝置。編碼器裝在伺服電機的軸上面，用來(lái)檢測電機的位置，同時(shí)將信號實(shí)時(shí)傳輸給伺服驅動(dòng)器，從而構成我們俗稱(chēng)的半閉環(huán)系統。此外，有很多運動(dòng)控制器也可以接收編碼器信號，將裝在最終執行機構上的編碼器信號反饋到運動(dòng)控制器中，從而構成全閉環(huán)控制。編碼器還可以根據反饋信號的類(lèi)型分為增量式編碼器和絕對值型編碼器。
連接方式，用以連接各個(gè)環(huán)節的方式也有很多學(xué)問(wèn)，以前控制器與驅動(dòng)器之間的連接基本是一對一連接，用以傳輸位置或速度信息，但這種連接方式在系統控制的軸數較少的情況下，問(wèn)題不大。當系統控制的軸數超過(guò)8軸時(shí)，這種連接方式的布線(xiàn)及電氣信號質(zhì)量穩定性就會(huì )產(chǎn)生很多問(wèn)題，由此，產(chǎn)生了各類(lèi)總線(xiàn)系統。但目前總線(xiàn)協(xié)議并沒(méi)有統一，各大伺服廠(chǎng)商紛紛推廣自己的協(xié)議，有的開(kāi)放，有的封閉。
由此可見(jiàn)，運動(dòng)控制系統的專(zhuān)用性較強，涉及的各個(gè)環(huán)節的內容也較多，加上各類(lèi)廠(chǎng)家從不同角度推銷(xiāo)自己產(chǎn)品時(shí)的各類(lèi)專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，給廣大用戶(hù)尤其是初次接觸運動(dòng)控制系統的工程師，想快速選型并掌握其中的要點(diǎn)，并在實(shí)際應用中完成機器裝置的動(dòng)作控制，造成了一定的困惑。其中，最困惑的可能要屬于運動(dòng)控制器的選型及應用方面的問(wèn)題。在此，針對運動(dòng)控制器類(lèi)型及適用場(chǎng)合談?wù)剛€(gè)人的理解和看法，有不當之處，也請各位同仁多多包涵，并批評指正。
2 運動(dòng)控制器類(lèi)型及適用場(chǎng)合
運動(dòng)控制器大體可以分為兩種類(lèi)型：一種是獨立式的運動(dòng)控制器，其中包括帶運動(dòng)控制模塊或功能的PLC和專(zhuān)用運動(dòng)控制器；另一種是以工控機或PC機為載體，插接運動(dòng)控制卡的一種形式。這兩種類(lèi)型的運動(dòng)控制器在實(shí)際應用中各有千秋，不同應用場(chǎng)合也有著(zhù)各自不同的應用要求，下面分別進(jìn)行介紹。
獨立式運動(dòng)控制器主要應用在對人機交互界面要求不高的場(chǎng)合下，加工的產(chǎn)品類(lèi)別有限，配套觸摸屏就可以完成特定工作參數的設定和操作的場(chǎng)合，例如包裝機、印刷機、繞線(xiàn)機等。這里肯定有人會(huì )問(wèn)，這些設備很多是可以用普通PLC控制的，為什么還要采用獨立式運動(dòng)控制器？
那么什么時(shí)候適合采用普通PLC，什么時(shí)候適合采用獨立式運動(dòng)控制器？采用獨立式運動(dòng)控制器的這些設備有一個(gè)共同點(diǎn)就是需要控制的伺服電機的數量超過(guò)兩臺，并且電機之間需要有一定的配合動(dòng)作關(guān)系，比如說(shuō)聯(lián)動(dòng)同步等要求，如果沒(méi)有這樣的要求，普通PLC就一樣可以適用。
另外，需要再進(jìn)一步說(shuō)明的是專(zhuān)用運動(dòng)控制器和帶運動(dòng)控制功能PLC之間的幾點(diǎn)主要區別：
第一是編程的標準化區別。專(zhuān)用運動(dòng)控制器一般有自己較為獨立的編程環(huán)境，一般采用高級語(yǔ)言方式，如C、Basic等語(yǔ)言。帶運動(dòng)控制功能的PLC一般沿用IEC61131-3的標準，采用功能塊或ST語(yǔ)言。
第二是對運動(dòng)控制編程的視角不同。專(zhuān)用運動(dòng)控制器采用的是以“軸”為視角和對象的編程思路，而PLC則為了與傳統的組態(tài)環(huán)境相一致，以及為了讓原有用戶(hù)較為順暢的理解，一般采用的是以各類(lèi)“運動(dòng)過(guò)程的功能塊”為載體，并不突出軸的特點(diǎn)，并且目前較大的幾家廠(chǎng)家聯(lián)合起來(lái)，推出了一個(gè)標準PLCOpen，里面大量描述的功能塊實(shí)際就是運動(dòng)控制相關(guān)的實(shí)現問(wèn)題。從這兩種編程思路來(lái)看：第一種采用“軸”為對象的編程，控制可以非常靈活，軸的動(dòng)作可以根據實(shí)際情況時(shí)刻做出調整，基本上沒(méi)有實(shí)現不了的場(chǎng)景；第二種以“運動(dòng)過(guò)程功能塊”為載體的編程，相對于第一種的編程，思路上較為傳統，比較符合傳統PLC用戶(hù)的編程習慣，但最大的缺陷就是靈活性不足，對某些復雜場(chǎng)景，沒(méi)有合適的功能塊能夠使用。
工控機加板卡的運動(dòng)控制系統目前主要應用于電子加工設備、激光切割設備等，這類(lèi)設備有兩點(diǎn)重要的特征決定了目前的使用情況：第一是普遍需要采用視覺(jué)系統，視覺(jué)系統需要大量的計算，PC機有較多的資源可以使用。第二是圖形化排料制板的需要，這類(lèi)設備需要經(jīng)常性的調整加工文件，根據不同的加工圖形文件來(lái)控制機器進(jìn)行加工處理，也就是說(shuō)機器與操作人員之間要有較強的互動(dòng)過(guò)程，用PC或工控機配合Windows系統可以較為方便的實(shí)現這些功能，這些原因決定了目前此類(lèi)應用絕大多數采用了工控機加板卡的運動(dòng)控制系統。但這種應用也有隱憂(yōu)，最主要的問(wèn)題是系統穩定性不足。造成這個(gè)問(wèn)題的主要原因是因為PC及工控機采用的是高功耗的CPU，在正常使用過(guò)程中，散熱始終會(huì )是一個(gè)較大的問(wèn)題。如果機器設備本身的工作環(huán)境不好，同時(shí)又要求機器設備不停機運轉的時(shí)間較長(cháng)，那么這個(gè)隱憂(yōu)就會(huì )比較突出。相對于采用嵌入式低功耗CPU設計的獨立式運動(dòng)控制器來(lái)講，在這點(diǎn)上工控機毫無(wú)優(yōu)勢。但工控機也有其它優(yōu)勢：例如自身采用Windows平臺，系統資源豐富，有龐大的算法驗證手段和開(kāi)放性，這一點(diǎn)在機器人應用中尤為突出。
3 運動(dòng)控制器發(fā)展的未來(lái)趨勢
最后，我們來(lái)談?wù)勥\動(dòng)控制器發(fā)展的未來(lái)趨勢。運動(dòng)控制器從本質(zhì)上講是一套系統開(kāi)發(fā)平臺，應用工程師在這個(gè)平臺上結合終端設備的工作工藝，編寫(xiě)對應的控制程序，從而實(shí)現各類(lèi)復雜的動(dòng)作控制。經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，未來(lái)的趨勢個(gè)人判斷主要有以下幾點(diǎn)：第一是開(kāi)放性、靈活性、易用性并重；第二是網(wǎng)絡(luò )化程度日益加強；第三是可靠性要求不斷提高。開(kāi)放性、靈活性、易用性是客戶(hù)接觸一套控制器的最基本評價(jià)。
開(kāi)放性實(shí)際指的是系統要遵循較為通用的標準，比如IEC61131-3的標準組態(tài)語(yǔ)言環(huán)境，對外接口采用通用的標準協(xié)議等。靈活性指的是系統要能適應各種復雜工藝要求的能力，也就是只有用戶(hù)想不到的功能，而沒(méi)有系統實(shí)現不了的功能。易用性主要指的是人機交互的友好性及簡(jiǎn)便性，最極致的易用性當然是指沒(méi)有接受過(guò)任何專(zhuān)業(yè)訓練的人也可以快速掌握系統的開(kāi)發(fā)。
開(kāi)放性、靈活性、易用性這三個(gè)特性在實(shí)際使用過(guò)程中，往往會(huì )互相牽扯，甚至是有些矛盾的地方。例如：為了提高系統的靈活性，就要盡可能的將底層開(kāi)放給用戶(hù)。但是底層開(kāi)放的越多，涉及到的專(zhuān)業(yè)知識及內核運行機理就必然要盡可能的讓用戶(hù)了解掌握，這樣做的結果必然是導致易用性下降；由于易用性追求的是使用越簡(jiǎn)單越好，這樣就要求系統盡可能多的進(jìn)行封裝，這樣自然又會(huì )限制了系統使用的靈活性。為了解決這些矛盾，一個(gè)好的運動(dòng)控制系統必須分出不同的層次：提供最初級的接口，這些接口一定是越簡(jiǎn)單易用越好。同時(shí)根據客戶(hù)掌握了解的程度不同，分層提供不同定義的各類(lèi)應用接口以滿(mǎn)足靈活性的要求。做到這些，開(kāi)放性、靈活性、易用性可以實(shí)現有機的統一。
未來(lái)控制系統發(fā)展的最核心需求就是如何實(shí)現開(kāi)放性、靈活性、易用性的統一。這其中最核心的問(wèn)題是對動(dòng)作控制的理解程度。傳統PLC廠(chǎng)家以動(dòng)作過(guò)程為主要目標，封裝各類(lèi)標準化的功能塊，但缺少靈活性。專(zhuān)業(yè)運動(dòng)控制器雖然有較好的靈活性，但其編程組態(tài)方式都是自成一派，沒(méi)有遵循統一標準。更好的控制器應該將二者進(jìn)行有機的融合。此外，開(kāi)放性除了遵循一定的標準之外，還需要有更為豐富的接口。傳統的控制器基本只是完成對伺服系統的控制，但隨著(zhù)智能化發(fā)展的需求，越來(lái)越要求控制器能夠融合更多的系統功能，例如：對視覺(jué)系統的接入要求日益強烈。
和利時(shí)的MC系列運動(dòng)控制器正是按照這樣的思路研發(fā)的產(chǎn)品：編程既符合IEC標準，同時(shí)又具有專(zhuān)業(yè)運動(dòng)控制器廠(chǎng)家的靈活性，同時(shí)率先在業(yè)內采用雙核處理器，為接入類(lèi)似視覺(jué)系統留有了足夠的可開(kāi)發(fā)空間。
網(wǎng)絡(luò )化主要指的是控制器與伺服驅動(dòng)器之間的連接形式。傳統機械設備采用的伺服數量有限，往往采用一對一直連的方式連接運動(dòng)控制器和伺服。直連方式最大的問(wèn)題在于布線(xiàn)復雜，線(xiàn)纜使用量較大，同時(shí)傳輸信號極易受到各種干擾。為解決這些問(wèn)題，各個(gè)伺服驅動(dòng)廠(chǎng)家紛紛推出自己的高速總線(xiàn)用以連接伺服驅動(dòng)器及運動(dòng)控制器，網(wǎng)絡(luò )化趨勢勢不可擋。采用高速總線(xiàn)后，運動(dòng)控制器和伺服驅動(dòng)器之間除了常規的控制命令及反饋信息傳遞外，還可以根據需要實(shí)時(shí)調節伺服驅動(dòng)器的各類(lèi)參數，從而實(shí)現更為復雜靈活的控制要求。但目前各家高速總線(xiàn)的標準尚不統一，各個(gè)伺服廠(chǎng)家都各自推出自己專(zhuān)用的總線(xiàn)協(xié)議，比較流行的有EtherCAT、Power Link 、安川Mechatrolink、松下RTEX、三菱CC-Link等等，這些總線(xiàn)協(xié)議各有特點(diǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)，核心都是為了解決高速伺服控制過(guò)程中的高速數據傳輸，未來(lái)的發(fā)展一定是逐步走向融合統一的過(guò)程。目前總線(xiàn)協(xié)議廠(chǎng)家還在進(jìn)行較為充分的競爭，那么最終誰(shuí)會(huì )勝出？個(gè)人認為開(kāi)放性好的、市場(chǎng)占有率高的廠(chǎng)家協(xié)議標準應該有較大的機會(huì )；那些封閉的，自成體系的，不接納外圍廠(chǎng)家的各類(lèi)協(xié)議，后續可能會(huì )被市場(chǎng)淘汰。
可靠性對于運動(dòng)控制器來(lái)說(shuō)，同樣是一項基本核心要求。機器設備長(cháng)期、穩定的可靠運行是所有用戶(hù)的最基本條件。僅從穩定性這點(diǎn)上看，目前大量采用板卡及工控機的控制形式，未來(lái)應會(huì )逐步被各類(lèi)滿(mǎn)足功能要求的、同時(shí)具有低功耗、高穩定性的專(zhuān)用控制器所替代。和利時(shí)專(zhuān)業(yè)做自動(dòng)化控制將近25年，涉及行業(yè)從高鐵、電力、石化到機器控制，對控制系統穩定性的理解和認識是深入骨髓的。和利時(shí)設計實(shí)現的MC系列運動(dòng)控制器，依然秉承并堅持了這一理念和原則。
以上是對運動(dòng)控制系統，尤其是運動(dòng)控制器的總體概貌的分析和說(shuō)明，其中必然有許多考慮不周的地方，做此總結是為了起到拋磚引玉的作用，希望更多的運動(dòng)控制專(zhuān)家能夠針對運動(dòng)控制領(lǐng)域不同的要點(diǎn)展開(kāi)積極的討論，從而促使這個(gè)細分行業(yè)能夠快速發(fā)展，為我國裝備制造領(lǐng)域發(fā)展做出更大的貢獻。
摘自《自動(dòng)化博覽》2015年11月增刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號